厘米级Zr-Al-Ni系块体非晶合金的形成和性能

【摘要】：Zr基块体非晶合金通常具有大的玻璃形成能力、宽的过冷液相区间、较高的强度和韧性,可用作结构材料和功能材料,是非晶合金材料研究领域的热点。目前已开发的Zr基非晶合金很少能够同时具备大的玻璃形成能力、大塑性和优异的耐蚀性。Zr-Al-Ni三元系是Zr基非晶合金的基础体系之一,然而目前有关该三元系非晶合金的玻璃形成能力及其性能的研究还很不充分。本文系统地研究了Zr-Al-Ni三元非晶合金的热稳定性、玻璃形成能力以及力学性能随成分的变化规律,并以此为基础研制出了兼具优异力学性能与耐蚀性能的不含毒性和贵重金属组元的超大玻璃形成能力的Zr-Al-Ni系块体非晶合金。 本论文工作主要包括以下四个部分： 1.系统研究了Zr-Al-Ni三元非晶合金的热稳定性和玻璃形成能力。结果表明,在54Zr66、11＜Al＜19和21Ni30(原子百分比,下同)成分区内,非晶合金具有优异的热稳定性,其过冷液相区△Tx超过60 K；在53Zr65、11Al21和21Ni28成分区内,可通过铜模铸造法获得临界直径超过1 cm的块体非晶合金；以Zr-Al-Ni非晶合金系的实验结果为基础,解析了具有最佳玻璃形成能力的非晶合金成分特征,并提出团簇线加连接原子的非晶结构模型。 2.评价了Zr-Al-Ni三元块体非晶合金的力学性能。以室温压缩实验为依据,揭示出该系列块体非晶合金的塑性随Zr含量的增加而增加的规律,同时明确了非晶合金的强度、杨氏模量以及塑性分别与其玻璃转变温度和Poisson比之间的对应关系；通过低温拉伸实验,发现了块体非晶合金的强度和塑性随温度的降低而增加的规律,并阐述了相关机理。 3.研究了合金化元素对Zr-Al-Ni非晶合金的热稳定性、玻璃形成能力和性能的影响,并探讨了相关机理。结果表明,2-4 at.%Nb或5-10at.%Cu的添加可以显著提高Zr60Al15Ni25非晶合金的玻璃形成能力,其中,Zr56Al15Ni25Nb4和Zr60Al15Ni15Cu10非晶合金的临界直径分别达2 cm和1.8 cm, Zr56Al15Ni20Nb4Cu5非晶合金的临界直径近2.5 cm；而Ta/Ti, Fe/Co的添加对合金的玻璃形成能力的提高效果不明显。另一方面,Nb或Ta的添加可以有效提高非晶合金的强度,且可显著改善非晶合金在含氯离子溶液中的耐蚀性；5-10at.%Cu的添加可有效提高非晶合金的室温塑性,但大大降低了非晶合金在含氯离子溶液中的耐蚀性。 4.依据自由体积理论和剪切应变区模型,明确了Zr含量对块体非晶合金的塑性的影响,指出增加Zr含量是提高Zr基非晶合金室温塑变能力的有效途径。通过对高Zr含量的Zr70-xAl8Ni22Nbx、Zr70Al8Ni22-xCux两个非晶合金系列的热稳定性、玻璃形成能力和室温变形行为的研究发现：尽管2-4% Nb加入能有效提高非晶合金的玻璃形成能力,但因其减少了Zr含量,导致非晶合金塑性的明显降低；而6-16 at.% Cu的加入不仅可有效提高非晶合金的热稳定性与玻璃形成能力,而且Zr70Al8Ni22-xCux(x=6-16)系列非晶合金显示出优异的室温压缩塑性。其中,临界直径超过1 cm的Zr70Al8Ni8.5Cu13.5块体非晶的室温塑变超过70%。